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磁悬浮轴承资讯

基于labview 的磁悬浮轴承的静态刚度测量系统

 

发布时间:2017-08-18 22:13:00 点击:     


摘要:磁悬浮轴承主要利用电磁力使转子悬浮于定子中,其刚度特性是磁悬浮轴承的重要技术指标,因此磁悬浮轴承的刚度测量是检验磁悬浮轴承性能的必要环节。文中建立了适用于混合控制的磁悬浮轴承在开环控制下的静态刚度测量系统。该系统利用 labview 软件开发测量平台,由 x - y - z 电控精密位移台、六自由度力传感器、激光位移传感器及高分辨率电流表等设备组成,并由工控机统一控制各测量单元,实现自动测量、自动采集与数据存储等功能,具有自动化程度高的优点。

0 引言

磁悬浮轴承具有无磨损、高转速、低耗能、无需润滑、无油污染和可靠性高等突出优点[1],被广泛应用于工业加工、空间技术、超净技术和生命科学等领域。同时随着现代旋转机械转速的大幅度提高,支承对转子系统的稳定性、动态特性、旋转精度等影响也越来越大,在许多场合几乎支配着整个系统的稳定性。而对轴承的支承特性进行研究,无论轴承是应用何种原理与方法,都是对它的支承刚度和支承阻尼进行研究[2]。

为研究磁悬浮轴承在开环控制下的静态刚度特性,利用labview 软件开发平台,搭建一套能测量磁悬浮轴承任意位置和任意方向的静态刚度测量平台,实现刚度的自动测量功能。

1 测量系统

测量系统如图1 所示,工控机通过“测量程序”向位移台、电控箱和电流源发出命令,移动定子或转子并向定子线圈中通入电流,力传感器、位移传感器和电流表分别测量转子受力、转子与定子的相对位移和定子线圈中的电流,并通过“测量程序”自动采集和存储测量数据,对测量数据进行处理和运算,求出混合盘状磁浮轴承的刚度 - 位移曲线。

1. 1 系统硬件设计

1. 1. 1 测量设备和仪器

( 1) 3 个精密电控位移台和电控箱配合使用,使磁悬浮轴承转子与定子在三维空间产生相对位移。精密电控位移台和电控箱具有高分辨率、高定位精度、高运动直线度和中心负载大等优点,能很好满足实验要求。上位机通过 rs -232 标准串行通讯接口与其进行通信,控制位移量。主要参数见表1。

( 2) 六自由度的力/力矩传感器测量磁悬浮轴承转子在磁场中受到的磁力,为 six - axis force/ torque delta transducer。将转子与六自由度力传感器刚性连接,根据牛顿第三定律和虎克定律将力在设定的正交坐标系中分解,坐标及其设置如图2 所示。

此型号力传感器使用的传感元件为半导体应变片。当半导体应变片受到力或力矩的拉压或扭转时,其等效的应变敏感阻抗发生变化,使得输出的电压随之发生变化。选用 usb -6251 型数据采集卡向传感器供电并采集传感器输出的电压信号,上位机通过 usb 口从采集卡读取数据,再通过相应的算法将采集的数据转变为力/力矩值。

在 16 位数字 daq 系统进行采集的条件下,力传感器的主要性能参数见表2。此型号的力传感器虽然测量范围较大、精度较高,但由于半导体应变片会随温度的变化而发生较大的形变,从而影响测量结果。因此,在测量时应使测量环境的温度保持恒定,以免影响测量结果的准确性。

( 3) 3 个激光位移传感器用于测量磁浮轴承转子或定子的相对位移。选用 ild1401 - 5 型激光位移传感器,性能参数如下: 测量范围为 5 mm,测量点与传感器端面距离应保持在 20 ~25 mm 之间,测量精度等级为 0. 18% ,静态分辨率为 0. 6 μm.可通过标准 rs -232 串行通讯接口与上位机进行通信。

( 4) 2 个参考测量平面用作激光位移传感器的参考测量面,有较高的光洁度。该参考测量面的设置是为避免激光位移传感器在测量转子和定子径向相对位移时,激光直接在转子或定子的圆柱体表面反射而引入测量偏差。

( 5) 旋转台与磁悬浮轴承定子相连接,用于在水平面内旋转磁浮轴承定子,使欲测量的径向刚度方向与移动方向平行。旋转台型号为 rsm73 - 1,粗调范围为360°,微调范围为± 2. 5°,最小读数为5'。

( 6) 电流源用于给磁悬浮轴承定子的磁浮线圈供电,以对转子施加电磁力。选用 it6153,最大可提供18 a 的供电电流,最大输出功率达540 w,设定解析度可达 1 ma. 电流源后面的db9 接口通过 it - e131 rs - 232 转换通讯电缆与上位机进行通信。

( 7) 电流表用于测量悬浮控制线圈中的单匝电流。选用34411a 型6 位半数字万用表,可达到 μa 级别的测量精度,测量范围为 0 ~3 a; 上位机通过usb 接口与其进行通信。

( 8) 若干安装夹具( 工具转换器、安装转换器、直角固定架等) 用于各仪器和磁悬浮轴承的连接。

1. 1. 2 连接方式

主要设备连接图见图3。

利用所述的3 个精密电控位移台搭建三坐标位移台: 2 个psa100 - 11 - x 型精密电控位移台在水平面内组装为一体,使位移方向相互垂直,可控制定子在 x 方向和 y 方向的位移; 型号为 psa400 -11 - z 的精密电控位移台竖直放置,可控制转子在 z 方向的位移。

将定子与旋转台相连,并固定在 y 方向的精密电控位移台上,即定子只能在水平面内移动和旋转,不能在垂直方向上移动。

通过安装夹具将转子与六自由度力/力矩传感器相连,再将六自由度力/力矩传感器通过夹具与 z 方向位移的精密电控位移台相连,即转子只能在垂直方向上移动,而不能在水平面内移动。

3 个激光位移传感器中的 2 个激光位移传感器用于测量定子在水平面内的相对位移,另一个激光位移传感器用于测量转子在垂直方向的位移。测量时,激光位移传感器的测量端面均与其移动方向垂直。

在水平方向精密电控位移台的载物台上安装 2 个具有高平面度及高光洁度的反射面,作为所述 2 个激光位移传感器的参考测量面,这 2 个参考平面分别与所述定子在水平面内的位移方向垂直。

1. 2 系统软件设计

根据刚度的测量过程,编写测量软件。刚度测量过程如下: 测量径向刚度时,首先旋转旋转台,使定子测量时的移动方向与欲测量的刚度方向重合; 然后,寻找转子在定子中的平衡位置( 将转子置于定子外,使转子只受重力和力传感器对其向上的拉力作用,而无磁力作用,并将此时力传感器的测量值置零) ; 再移动转子和定子,使转子落入与定子之间的磁力作用较大的区域,利用“寻找平衡位置程序”自动找到转子在定子中合力为零的位置,即力传感器测量值再次为零的位置,则该位置为转子在定子中的平衡位置; 移动定子,使转子位于起始测量位置,设该起始测量位置与平衡位置的距离为 s0; 当自动测量时,定子将沿相反的方向以一定的步进长度移动大约2s0的距离,使结束测量时转子相对定子的位置与初始位置近似关于平衡位置对称,以免移动距离过大,使转子与定子相撞,损坏零件与设备; 当转子固定位于定子的某位置时,向定子磁浮线圈中通入不同的电流,并测量电流值和转子受力即可得到该位置的电磁力 - 电流曲线。轴向刚度的测量过程与径向刚度测量过程类似。

因此,利用labview 软件平台开发的虚拟仪器界面如图4所示。

虚拟仪器内部的程序构架如图5 所示,主程序由“寻找平衡位置程序”、“测量主程序”和“数据存储程序”构成,通过与各模块进行数据交换完成测量。测量程序流程如图6 所示。

2 实验结果及误差分析

根据磁悬浮轴承的刚度定义,可通过力的位移和电流拟合函数对位移求导数,得到磁悬浮轴承在某安匝数下,刚度与相对位移的函数关系。测量结果如图7 所示,根据该测量结果选用式( 1) 的函数形式拟合转子受力,拟合函数如式( 2) 所示。图7 中,曲线由上至下依次表示转子位移为-0.461 mm、-0.360 mm、- 0. 258 mm、 - 0. 158 mm、 - 0. 056 mm、0. 047 mm、0. 150 mm、0. 250 mm、0. 352 mm、0. 451 mm. 式( 2) 对位移 x 求一阶导数即得到刚度与相对位移的函数关系,如式( 3) 所示。

式中: f 为转子受到的磁力,n; x 为转子与定子的相对位移,mm;in为定子磁浮线圈中的安匝数,a; 其余参数为函数拟合系数。

式中k 为磁悬浮轴承的刚度。

当电流为零时,可得到其永磁刚度函数。

该系统的测量误差主要由测量仪器引入,还有力在拟合过程中拟合方法引入的误差。不同的拟合函数引入的误差不相同,因此要结合具体的拟合函数进行分析。经多次实验后,利用该装置与拟合方法测量的混合盘状磁悬浮轴承的刚度最大偏差为3. 6 n/mm,能够很好地满足要求。

3 结束语

该测量系统以 labview 编写的虚拟测量仪器为核心,在控制磁悬浮轴承转子与定子相对位移的同时,通过采集定子悬浮线圈中的电流、定子受到的电磁力,以及转子与定子的相对位移,判断转子与定子的受力状态,避免测量过程中转子与定子发生碰撞,进而保证测量过程安全进行,实现了磁悬浮轴承刚度的自动测量,并通过实验得到了较满意的刚度测量结果。

参考文献:

[1] 赵博. 磁浮轴承的试验研究: [学位论文]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2007.

[2] 马骁. 混合盘状磁浮轴承的静态刚度测量: [学位论文]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

作者简介: 马骁( 1985—) ,工程师,硕士,主要研究方向为仪器科学与技术。e-mail: max@ chinaheartbmd. com

 

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磁悬浮轴承应用场合

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